列管式換熱器

列管式換熱器（tubular exchanger）是目前化工及酒精生產上套用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。所需材質 ，可分別採用普通碳鋼、紫銅、或不鏽鋼製作。在進行換熱時，一種流體由封頭的連結管處進入，在管流動，從封頭另一端的出口管流出，這稱之管程；另一種流體由殼體的接管進入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程。

基本介紹

• 中文名：列管式換熱器
• 外文名：tubular exchanger
• 種類：固定管板式
• 學科：物理
• 分類：器械
• 學科：熱力工程

種類

固定管板式

列管式換熱器的結構比較簡單、緊湊、造價便宜，但管外不能機械清洗。此種換熱器管束連線在管板上，管板分別焊在外殼兩端，並在其上連線有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進出口接管。通常在管外裝置一系列垂直於管束的擋板。同時管子和管板與外殼的連線都是剛性的，而管內管外是兩種不同溫度的流體。因此，當管壁與殼壁溫差較大時，由於兩者的熱膨脹不同，產生了很大的溫差應力，以至管子扭彎或使管子從管板上鬆脫，甚至毀壞換熱器。

為了克服溫差應力必須有溫差補償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50℃以上時，為安全起見，換熱器應有溫差補償裝置。但補償裝置（膨脹節）只能用在殼壁與管壁溫差低於60～70℃和殼程流體壓強不高的情況。一般殼程壓強超過0.6Mpa時由於補償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補償的作用，就應考慮其他結構。

浮頭式

換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連線，另一塊管板不與外殼連線，以使管子受熱或冷卻時可以自由伸縮，但在這塊管板上連線一個頂蓋，稱之為“浮頭”，所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器。其優點是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨脹不變殼體約束，因而當兩種換熱器介質的溫差大時，不會因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產生溫差應力。其缺點為結構複雜，造價高。

填料函式

這類換熱器管束一端可以自由膨脹，結構比浮頭式簡單，造價也比浮頭式低。但殼程內介質有外漏的可能，殼程中不應處理易揮發、易燃、易爆和有毒的介質。

U型管式

U形管式換熱器，每根管子都彎成U形，兩端固定在同一塊管板上，每根管子皆可自由伸縮，從而解決熱補償問題。管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。其缺點是管子內壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子少。優點是結構簡單，質量輕，適用於高溫高壓條件。

渦流熱膜

渦流熱膜換熱器採用最新的渦流熱膜傳熱技術，通過改變流體運動狀態來增加傳熱效果，當介質經過渦流管表面時，強力沖刷管子表面，從而提高換熱效率。最高可達10000W/m2℃。同時這種結構實現了耐腐蝕、耐高溫、耐高壓、防結垢功能。其它類型的換熱器的流體通道為固定方向流形式，在換熱管表面形成繞流，對流換熱係數降低。

據【換熱設備推廣中心】的資料顯示，渦流熱膜換熱器的最大特點在於經濟性和安全性統一。由於考慮了換熱管之間，換熱管和殼體之間流動關係，不再使用折流板強行阻擋的方式逼出湍流，而是靠換

列管式換熱器

熱管之間自然誘導形成交替漩渦流，並在保證換熱管不互相摩擦的前提下保持應有的顫動力度。換熱管的剛性和柔性配置良好，不會彼此碰撞，既克服了浮動盤管換熱器之間相互碰撞造成損傷的問題，又避免了普通管殼式換熱器易結垢的問題。

渦流熱膜換熱器性能特點：

1.高效節能，該換熱器傳熱係數為6000-8000W/m2.0C；
2.全不鏽鋼製作，使用壽命長，可達20年以上,十年內出現換熱器質量問題免費更換；
3.改層流為湍流，提高了換熱效率，降低了熱阻；
4.換熱速度快，耐高溫（400℃），耐高壓（2.5Mpa）;
5.結構緊湊，占地面積小，重量輕，安裝方便，節約土建投資；
6.設計靈活，規格齊全，實用針對性強，節約資金；
7.套用條件廣泛，適用較大的壓力、溫度範圍和多種介質熱交換；
8.維護費用低，易操作，清垢周期長，清洗方便。
9.採用納米熱膜技術，顯著增大傳熱係數。
10.套用領域廣闊，可廣泛用於熱電、廠礦、石油化工、城市集中供熱、食品醫藥、能源電子、機械輕工等領域。

渦流熱膜換熱器性能對比：

對比項目	浮動盤管換熱器	螺紋管換熱器	渦流熱膜換熱器
適用介質種類	蒸汽、水	蒸汽、水	弱腐蝕性化工原料、蒸汽、水
介質的參數範圍	溫度：0-150度; 壓力：0-1.0MPa	溫度：0-150度; 壓力：0-1.6MPa	溫度：-40-400度; 壓力：0-10.0MPa
熱效率	熱效率=92%	熱效率=93%	熱效率=96%
防垢性能	自動除垢	人工除垢	具有防垢功能
耐震、噪音	振動較大，噪音大	振動較小，噪音小	振動微弱，噪音小
試用壽命	7年左右	10年左右	20年左右
維修	停機維修，更換管束	停機維修，拔管再脹管	無需維修

折流擋板

為提高殼程流體流速，往往在殼體內安裝一定數目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規定路徑多次錯流通過管束，使湍動程度大為增加。常用的折流擋板有圓缺形和圓盤形兩種，前者更為常用。

多殼程

列管式換熱器必須從結構上考慮熱膨脹的影響，採取各種補償的辦法，消除或減小熱應力，根據所採取的溫差補償措施。

技術參數

公稱直徑	管程數	管子數量	換熱面積 公稱值/計算值	管程通道截面積 管程通道流速為0.5m/sec時的流量m/hr	公稱壓力
管子長度（m）	φ25×2.5
1500	2000	3000	4000	6000	φ25×2
159	1	14	1.51.62	22.17	33.27			0.0044/; 0.0049	7.92/; 8.82
219	1	26	3/3.00	4/4.02	6/6.06	8/8.1		0.0082/; 0.0090	14.76/; 16.20
	2	26	3/3.00	4/4.02	6/6.06	8/8.81		0.0041/; 0.0045	7.38/; 8.01
273	1	44	5/5.08	7/5.18	10/10.26	14/13.72	21/20.63	0.0138/; 0.0152	24.84/; 27.36
	2	40	5/4.62	6/6.19	9/9.33	12/12.47	19/18.76	0.0063/; 0.0069	11.24/; 12.42
325	1	60	7/6.93	9/9.28	14/14.00	19/18.71	28/28.13	0.0188/; 0.0208	33.84/; 37.44
	2	56	6/6.47	9/8.66	13/13.05	17/17.46	36/26.26	0.0088/; 0.0097	15.84/; 17.46
400	1	119	14/13.47	18/18.41	28/27.76	37/37.10	55/55.8	0.0374/; 0.0412	67.32/; 74.16
	2	110	13/12.70	17/17.02	26/25.66	34/34.20	50/51.58	0.0173/; 0.0190	31.14/; 34.20
500	1	185			45/4.15	55/57.68	85/86.74	0.0581/; 0.0641	104.58/; 115.38
	2	180			40/41.99	55/57.68	85/86.74	0.0283/; 0.0312	50.94/; 56.16
600	1	269			60/62.7	85/83.88	125/126.13	0.0845/; 0.0932	152.10/; 167.76
	2	266			60/32.05	80/82.94	125/14.72	0.0418/; 0.0461	75.24/; 83.98
700	1	379			90/88.41	120/118.17	175/177.71	0.0091/; 0.1313	214.38/; 236.34
	2	358			85/83.51	110/111.62	165/167.85	0.0562/; 0.0620	101.16/; 111.60
800	1	511			120/119.20	160/159.16	240/239.60	0.1605/; 0.1770	288.90/; 318.60
	2	488			115/113.83	150/152.16	230/228.81	0.0767/; 0.0845	138.06/; 152.10
900	1	649			150/151.39	200/202.36	305/304.3	0.2039/; 0.2248	367.02/; 404.46
	2	630			145/146.96	195/196.44	295/295.40	0.0990/; 0.1091	178.20/; 196.38
1000	1	805			185/187.78	250/251.00	375/377.45	0.2529/; 0.2788	455.22/; 501.74
	2	792			185/184.75	245/246.95	370/371.36	0.1244/; 0.1374	223.92/; 246.96

滲漏解析

換熱器滲漏是換熱器使用中最為常見的設備管理問題，滲漏主要是腐蝕造成的，少部分是由於換熱器選型和換熱器本身的製造工藝缺陷，列管式換熱器的腐蝕形式基本有兩種：電化學腐蝕和化學腐蝕。列管式換熱器在製作時，管板與列管的焊接一般採用手工電弧焊，焊縫形狀存在不同程度的缺陷，如凹陷、氣孔、夾渣等，焊縫應力的分布也不均勻。使用時管板部分一般與工業冷卻水接觸，而工業冷卻水中的雜質、鹽類、氣體、微生物都會構成對管板和焊縫的腐蝕。這就是我們常說的電化學腐蝕。研究表明，工業水無論是淡水還是海水，都會有各種離子和溶解的氧氣，其中氯離子和氧的濃度變化，對金屬的腐蝕形狀起重要作用。另外，金屬結構的複雜程度也會影響腐蝕形態。因此，管板與列管焊縫的腐蝕以孔蝕和縫隙腐蝕為主。從外觀看，管板表面會有許多腐蝕產物和積沉物，分布著大小不等的凹坑。以海水為介質時，還會產生電偶腐蝕。化學腐蝕就是介質的腐蝕，換熱器管板接觸各種各樣的化學介質，就會受到化學介質的腐蝕。另外，換熱器管板還會與換熱管之間產生一定的雙金屬腐蝕。一些管板還長期處於腐蝕介質的沖蝕中。尤其是固定管板換熱器, 還有溫差應力, 管板與換熱管聯接處極易泄漏,導致換熱器失效。

綜上所述，影響換熱器管板腐蝕的主要因素有：

（1）介質成分和濃度：濃度的影響不一，例如在鹽酸中，一般濃度越大腐蝕越嚴重。碳鋼和不鏽鋼在濃度為50%左右的硫酸中腐蝕最嚴重，而當濃度增加到60%以上時，腐蝕反而急劇下降；

（2）雜質：有害雜質包括氯離子、硫離子、氰離子、氨離子等，這些雜質在某些情況下會引起嚴重腐蝕

（3）溫度：腐蝕是一種化學反應，溫度每提升 10℃，腐蝕速度約增加1~3倍，但也有例外；

（4）ph值：一般ph值越小，金屬的腐蝕越大；

（5）流速：多數情況下流速越大，腐蝕也越大。

試漏方法

列管換熱器無損檢測

在故障檢測、特別是換熱器部分可使用專業的知識和儀器，可以檢測腐蝕現象產生的原因，這裡以美嘉華的技術產品為例來了解一下無損檢測設備的功能：

1)可視內窺鏡檢測管板內表面；

2)定製的問題研究和報價；

3)APR（聲脈衝反射法），一種創新的無損檢測技術，基於分析管板內產生多維聲波的分析；

4)無損檢測直的和彎曲的由有磁性和無磁性材料製成的換熱器管材；

5)快速檢測：每個管材少於 10 秒；

6)檢測泄露、全部和部分堵塞、侵蝕和點蝕；

7)適合橢圓管、方形管、螺旋管、肋片管及從 9/16”直徑出的彎曲；

8)立即可視結果；

9)數字存儲用於以後的檢查和比較；

10)定製的問題研究和成本估計。

水試漏的方法

傳統上我們使用水對換熱器的試漏，就是將水注入換熱器中，注滿水後再用水泵對換熱器中的水進行打壓，使之達到一定的壓力，進行對換熱器的查漏。查漏結束做出標記後泄壓和排水，再進行堵漏。如果換熱器較大、泄漏較嚴重，水壓在較低時就會發生泄漏，不得不排水堵漏，堵漏完成後再充水、充壓試漏，反覆進行，增加換熱器檢修時間。由於充水和打壓需要大量的時間，泄漏的部位需要動火補焊消漏時，又要對泄漏部位進行乾燥處理，否則影響補焊消漏的質量。如果泄漏的換熱器內部有可燃介質，必須進行氮氣置換，合格後才能動火補焊消漏作業，否則會產生著火和爆炸，危及人身和設備的安全。

氮氣試漏的方法

列管式換熱器泄漏後使用氮氣進行充壓試漏，比較快速。用氮氣對換熱器堵漏動火作業時，不必再進行置換處理，節約檢修消漏的時間。

氮氣在合成氨換熱器試漏中的使用

操作要點

（1）由於是高壓氮氣（壓力9．5MPa），使用時必須要有2人以上作業開閥門，在兩閥門中間加裝壓力表1個，一人監護壓力表的指示，另一人進行開閥門作業，保證管道壓力在允許的範圍之內，防止超壓，造成管線或人員傷害。

（2）換熱器EA103為浮頭式換熱器，試漏時需要做試漏封頭安裝到換熱器上。

（3）投用步驟　先全開1閥和3閥，如圖1，再緩慢打開2閥，對換熱器進行充壓，同時注意壓力表壓力，在3．0MPa之內。

（4）泄壓步驟　先全關1閥和2閥，打開泄壓閥門泄壓完成後，全關3閥。

兩種試漏方法的比較

從上述使用情況看，用氮氣試漏節約大量的檢修時間，檢修費用。水和氮氣試漏方法的比較見表1。

氮氣試漏的安全注意事項

（1）因為氮氣有窒息的風險，使用時必須注意人員的安全，防止人員中毒。

（2）氮氣使用時要提前進行管線的預製。

（3）氮氣使用時臨時管線上要增加壓力表，兩人用對講機聯繫開閥門，防止超壓。

（4）氮氣使用完成後必須及時泄壓、拆除。

（5）氮氣使用時必須2人以上用對講機聯繫充壓和泄壓操作，防止管線超壓，損壞管線，防止人員窒息，造成人身傷害。

（6）氮氣不使用時必須對管線的閥門進行掛“禁動”標識牌，防止人員誤動作。

清洗

列管式換熱器長期運行會導致設備被水垢堵塞，將會使效率降低、能耗增加、壽命縮短。如果水垢不能被及時地清除，就會面臨設備維修、停機或者報廢更換的危險。長期以來傳統的清洗方式如機械方法（刮、刷）、高壓水、化學清洗(酸洗)等在對換熱器清洗時出現很多問題：不能徹底清除水垢等沉積物，並對設備造成腐蝕，殘留的酸對材質產生二次腐蝕或垢下腐蝕，最終導致更換設備，此外，清洗廢液有毒，需要大量資金進行廢水處理。企業可採用高效環保清洗劑避免上述情況，其具有高效、環保、安全、無腐蝕特點，不但清洗效果良好而且對設備沒有腐蝕，能夠保證空壓機的長期使用。福世泰克清洗劑（特有的添加濕潤劑和穿透劑，可以有效清除用水設備中所產生的最頑固的水垢（碳酸鈣）、銹垢、油垢、粘泥等沉澱物，同時不會對人體造成傷害，不會對鋼鐵、紫銅、鎳、鈦、橡膠、塑膠、纖維、玻璃、陶瓷等材質產生侵蝕、點蝕、氧化等其他有害的反應，可大大延長設備的使用壽命。

案例說明：某大型石化電廠台灣獨資復盛牌螺桿式空壓機，換熱器為油水換熱，內管為銅管，換熱面積為28平米，正常工作溫度為77℃－93℃，清洗前工作溫度為92℃，採用福世泰克清洗劑原液約15公斤，兌約40公斤的水，循環泵壓力3公斤，反覆循環清洗6小時，清洗出各種水垢、銹垢、粘泥等物質約1公斤，清洗後開機工作溫度為81℃， 有效保障設備的正常生產運行。

滲漏解決

通常大多數企業的做法就是儘量採購質量高的換熱器，經過細心維護，讓換熱器壽命儘可能的延長，不可避免的出現滲漏以後，就會被迫停機堆焊，2～4人需要幾天時間才能修復完成，如果企業高薪聘請的高級焊工，還能保證換熱器繼續使用一段時間，如果焊工的技術一般，那么就會造成更多的漏點甚至報廢，企業不得不更換新的換熱器，這是由於此種傳統方法造成的種種弊端，完全不能保證企業的安全連續性生產，因此，眾多企業積極尋求新技術解決換熱器滲漏問題，通過引入福世藍高分子複合材料的耐腐蝕性和抗沖刷性，通過提前對新換熱器的保護，這樣不僅有效治理了新換熱器存在的焊縫和砂眼問題，更避免了使用後化學物質腐蝕換熱器金屬表面和焊接點，在以後的定期維修時，也可以塗抹福世藍高分子複合材料來保護裸露的金屬；即使使用後出現了滲漏現象，也可以通過福世藍技術及時修復，避免了長時間的堆焊維修影響生產。正是由於此種精細化的管理，才使得換熱器滲漏問題出現的機率大大降低，不僅降低了換熱器的設備採購成本，更保證了產品質量、生產時間，提高了產品競爭力。

用於管板的高厚度塗料：

1)恢復損壞的管板，阻止由氣蝕或電蝕引起的腐蝕；

2)可套用到罐體、管道、閥門，塗層厚度適合很多重要的套用環境；

3)恢復由於不正確擴展操作所引起腐蝕或損壞管板的完整性和不透水性；

4)管板與冷卻液絕緣，中斷腐蝕引發的電路；

5)流線型進口處理面可以減少氣蝕也可以促進連續清洗系統的性能；

6)解決與過度快速流速、氣蝕、渦輪和懸浮磨損顆粒有關的問題；

7)將進口恢復到最佳液壓條件；

8)鑄件減少的塗層厚度也不存在與塑膠和金屬基嵌入物的問題（在嵌入物的末端氣蝕；電阻）。

換熱器、冷凝器的管徑內表面塗層保護：

1)管板塗層是一種對於任何管板內表面問題的快速耐用的解決方案；

2)防止因污垢、各種腐蝕、侵蝕和氣蝕所引發的損壞；

3)適合在各種水服務環境中浸泡；

4)是100%無揮發性有機化合物並通過認證可以在飲用水中使用；

5)通過使用我們的專利的半自動設備可以快速套用（20 米/秒）從 30 微米到 250 微米；

6)根據客戶的要求有不同的塗膜厚度；

7)內直接範圍從 15 到 80mm 管材長度達 25m；

8)套用時間：在維護停機期間；

9)內窺鏡控制、DFT 確保完整的塗料效率；

10)研究和測試表明該塗料提高換熱率 一個用該塗料保護過的換熱器保持一種高換熱效率， 同時需要更少的清洗干預及不容易泄露。

10 個使用美嘉華內管板塗料系統的原因：

1)立即終止各種腐蝕過程；

2)對新及服務中換熱器的長期解決方案；

3)多種可行塗層可延長有效服務使用壽命；

4)增加換熱效率和冷凝器真空；

5)通過改善工廠性能全面增加電力輸出；

6)通過減低污垢而提高抗污性；

7)冷工作技術對於換熱器、工廠和人員是安全的；

8)對於恢復管板是一種節省成本的選擇——50%更快，30%更便宜；

9)現場套用；

10)根據 ASTM D5162-28 標準測試確保 100%表面覆蓋量。

21世紀初國內河南省鞏義市終於研製出了碳化矽質列管式陶瓷換熱器。　陶瓷換熱器在金屬換熱器的使用局限下得到了很好的發展，因為它較好地解決了耐腐蝕，耐高溫等課題，成為了回收高溫餘熱的最佳換熱器。經過多年生產實踐，表明陶瓷換熱器效果很好。它的主要優點是：導熱性能好，高溫強度高，耐腐蝕、抗氧化、抗熱震性能好。壽命長，維修量小，性能可靠穩定，操作簡便。是目前回收高溫煙氣餘熱的最佳裝置。

央視報導國內首次攻克金屬等傳統材料在高溫或惡劣環境下容易損壞的難題。首次研發並投入使用的以陶瓷替代金屬的換熱器新技術已經列入了國家火炬計畫。這一新技術將工業窯爐原來用的冷空氣變成了熱空氣，不僅提高了工作效率還節約了大量能源。由於陶瓷換熱器是提高能源利用率的主要設備之一，工業用途廣泛，因而其推廣套用前景十分可觀。

陶瓷換熱器可以用於冶金、有色、耐材、化工、建材等行業主要熱工窯爐，正在為世界的節能減排事業作出了巨大的貢獻。

設計注意

冷熱流體流動通道的選擇

在列管式換熱器內，冷熱流體流動通道可根據以下原則進行選擇：

（1）不潔淨和易結垢的的液體宜走管程，因管內清洗方便；

（2）腐蝕性流體宜走管程，以免管束和殼體同時受腐蝕；

（3）壓強高的宜走管程，以免殼體承受壓力；

（4）飽和蒸汽宜走殼程，因飽和蒸汽比較清潔，對流傳熱係數與流速無關而且冷凝液容易排出；

（5）被冷卻的流體宜走殼程，便於散熱；

（6）若兩流體溫差較大，對於剛性結構的換熱器，宜將對流傳熱係數大的流體通過殼程，可減少熱應力；

（7）流量小而粘度大的流體宜走殼程；

流體進出口溫度的確定

如果換熱器以冷卻為目的熱流體的進出口溫度已由工藝條件確定，而冷卻介質的出口溫度則需要選擇。若選擇較高的出口溫度，可選小換熱器，但冷卻介質的流量要加大；反之要選擇低的出口溫度，冷卻介質流量減少了，但要選大的換熱器，因此冷卻介質的出口溫度要權衡二者的投資大小來確定。